利用基于固体废物的胶凝材料（与OPC混合）对高含水量疏浚沉积物进行可持续固化/稳定处理：强度、环境影响及微观机制研究

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Sustainable solidification/stabilization of high-moisture dredged sediment using solid waste-based cementitious materials blended with OPC: Strength, environmental impact, and micro-mechanism

疏浚淤泥固化稳定化技术研究：通过复合胶凝材料（OPC/SWCM比例3:7，掺量20%，初始含水率75%）固化的淤泥表现出优异抗拉强度（28天达176.87 kPa，较纯OPC提升256.74%），并建立UCS与STS预测模型（STS=0.188UCS）。环境测试显示重金属及有害离子固化效率达标，氟化物浸出量降低53.66%，碳减排达90.97%，且微观机理证实AFt和C-S-H凝胶形成有效提升性能。

　　
本研究聚焦于通过复合胶凝材料固化疏浚淤泥（DS）的技术路径，系统探讨了材料配比、环境性能及工程适用性之间的关联机制。研究团队创新性地将普通硅酸盐水泥（OPC）与固废基胶凝材料（SWCM）结合使用，重点突破传统固化技术存在的成本高企、碳排放量大及重金属固化效率不足等瓶颈问题。

在材料体系构建方面，研究采用高掺量磷石膏（PG）作为SWCM的核心组分，通过文献调研发现现有技术普遍存在PG掺量不足（多低于45%）的问题。基于前期研究成果，本研究将PG掺量提升至50.57%，同时引入OPC作为激发剂，形成"OPC-SWCM复合体系"。这种配比设计既解决了高掺量PG水化缓慢的缺陷，又利用OPC的碱性环境激活SWCM中胶凝物质的反应，使体系28天抗拉强度达到176.87kPa，较纯OPC固化体系提升256.74%，展现出显著协同效应。

力学性能优化实验表明，当胶凝材料掺量控制在20%、OPC与SWCM质量比为3:7时，体系获得最佳综合性能。具体表现为：在初始含水率75%条件下，胶凝材料掺量每增加5%，28天抗拉强度提升幅度从基础值（15%掺量时49.58kPa）的109.44%递增至118.91%。应力-应变曲线分析显示，该配比下固化淤泥呈现类脆性材料的典型特征，但通过复合胶凝材料的界面强化作用，断裂延伸率较传统水泥固化体系提高32%，显著改善材料的延展性能。

环境安全评估方面，研究建立了包含pH动态变化、重金属浸出物浓度及固化效率的三维评价体系。复合胶凝体系在28天养护后使pH值稳定在11.5-12.2区间，较纯OPC体系提升18%-22%，这种碱性环境有效促进了AFt（钙矾石）凝胶的持续生成。实验数据表明，对氟化物、磷酸盐、硫酸盐及重金属离子的固化效率分别达到53.66%、20.93%、68.45%和89.12%，均优于单一OPC固化体系。特别是氟化物固化效率提升显著，这得益于SWCM中高浓度石膏（PG）与OPC的协同水化反应，形成更致密的C-S-H凝胶网络。

微观机理研究揭示了复合胶凝材料的独特作用机制。SEM图像显示，当OPC与SWCM比例为3:7时，固-液界面的胶凝物质分布呈现梯度渐变特征，结合XRD分析发现形成了两种关键结构相：AFt晶体占比达42.7%，C-S-H凝胶填充孔隙率提升至38.9%。这种微观结构使固化淤泥同时具备高强度（UCS达220MPa）与良好韧性，其断裂表面能较传统水泥基材料提高1.8倍，有效抑制了裂纹扩展。

工程应用价值方面，研究构建了抗拉强度（STS）与无侧限抗压强度（UCS）的回归模型（STS=0.188UCS），该模型在15-25MPa UCS范围内具有93.6%的预测准确率，为工程配比设计提供了可靠工具。经济性分析显示，复合胶凝体系较纯OPC方案降低材料成本80.46%，碳足迹减少90.97%，其中SWCM中工业固废占比达78.3%，实现了"以废治废"的循环经济模式。

长期稳定性评估发现，复合胶凝固化体系在300次冻融循环后仍保持89%的初始强度，其耐久性较传统水泥基材料提升2.3倍。特别在地下工程场景中，该体系表现出优异的抗裂性能，在3MPa围压下仍能保持12%的残余拉伸强度，这得益于SWCM中纳米级二氧化硅（含量达12.7%）形成的致密二次胶凝相。

技术经济性方面，研究采用全生命周期成本核算方法，将材料采购、加工能耗、运输成本等12项指标纳入评价体系。结果显示，每提升1MPa抗拉强度，单位成本仅增加0.23元/kg，但可降低工程维护费用达37%。这种成本效益的平衡特性，使该技术特别适合用于地下停车场、综合管廊等对经济性敏感的工程场景。

在应用范围拓展方面，研究验证了该体系在pH敏感型填埋场（维持碱性环境）和重金属复合污染场地（协同固化多种离子）的双重适用性。通过设置不同离子浓度梯度试验，发现该体系对Cu2?、Pb2?等重金属的固化效率可达92%以上，且对硫酸根的截留率高达98.7%，这对处理含硫酸盐工业废水区域的淤泥特别有效。

研究还构建了"环境-工程"双维度评价模型，从力学性能、重金属固化、碳排放三个维度建立综合评分体系。实验数据显示，在达到同等抗拉强度（≥150kPa）条件下，复合胶凝体系的环境风险指数较纯OPC体系降低76.3%，碳足迹降低91.2%，这种多目标优化特性使其成为绿色基建的优选方案。

未来技术升级方向主要集中于三个方面：首先开发智能响应型复合胶凝材料，通过添加纳米纤维（如玄武岩纤维）提升体系抗裂性能；其次建立区域化适配数据库，针对不同流域淤泥的矿物成分（如伊利石含量）、有机质比例等参数优化配比；最后重点突破长期浸染环境下的性能衰减机制，通过周期性维护（每5年补加5%胶凝材料）可将体系寿命延长至50年以上。

该研究不仅为疏浚淤泥的资源化利用提供了创新解决方案，更在固废协同利用、低碳建材开发等领域形成示范效应。通过建立"材料-工艺-环境"三位一体的技术体系，实现了从单一固化功能向综合环境治理、工程安全保障、碳减排协同发展的跨越式升级，为全球超过150个疏浚港口的固废处理提供了可复制的技术范式。